CN104698248B - 基于fpga的全光纤电流互感器去噪方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及技术领域集成电路技术领域，具体涉及一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法及装置。本发明的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法采用浮点计算的方式提高精度，结合FPGA的时序管理避免出现大量资源被占用的情况，同时解决了复杂矩阵运算的问题。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域集成电路技术领域，具体涉及一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法及装置。
背景技术
全光纤电流互感器在高电压、大电流的测量方面与传统互感器相比有明显的优势，但是和传统互感器一样，噪声带来的测量误差是一个无法回避的问题。
目前针对降低噪声的方法主要有：
对于光源噪声，若是由温度引起的波长变化，则可以直接测量温度而校正波长，否则必须测量波长进行校正。若是由返回光造成的影响，可采用光隔离器、信号衰减器、或选用超发光二极管(SLD)之类的低相干光源，来降低反射光与信号光的干涉效果，抑制瑞利背向散射噪声。
对于检测电信号噪声，用电子学方法可减少放大器噪声，而散粒噪声只能通过选择尽可能大的光源功率和低损耗的光纤通路来增强光信号，提高信噪比。
对于传感环噪声，一种是采用短相干光源，二是在光纤线圈的一端进行相位调制，选择合适的调制频率，使左右旋转的两束瑞利散射光的偏振调制相位正好相差180，可消除返回光源的光信号的附加幅度调制噪声。除此之外，背景噪声、热噪声、振荡复合噪声、线路噪声、暗电流噪声、电子噪声、环境噪声(如温度变化)、声频扰动、机械振动及任何其他大规模扰动等(如地球磁场变化等)也都是影响性能的噪声源。可见通常的去噪方法只是对光路的各个部分噪声进行了抑制，而缺乏对整体系统噪声的控制。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的全光纤电流互感器去噪方法成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，与现有技术相比，其不同之处在于，包括如下步骤：
步骤S1：采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
步骤S2：对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
步骤S3：对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
步骤S4：根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
步骤S5：根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
优选地，所述步骤S1之后、步骤S2之前还包括对状态变量数据xi进行初始化的步骤：其中，x1、x2、x3分别表示交流电流信号的幅值、频率和相位。
优选地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：计算状态变量数据xi的均值xi；
步骤S22：计算状态变量数据xi和其均值xi的协方差矩阵Pxx；
步骤S23：按照下式所示进行重采样以获得加权数据集{χi}，
χi＝xi，i＝4；
其中，n＝7，λ＝α2n-n，0.0001≤α≤1，权值为
优选地，所述步骤S3中非线性数据处理为
优选地，所述步骤S5中：xi(k)＝xi(k)+Kk[uin(k)-y(k)]，其中，uin为预处理所得状态变量数据xi；将所得xi(k)代入得到uout。
本发明还提供了一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，包括：
预处理模块，用于采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
加权计算模块，用于对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
非线性处理模块，用于对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
协方差计算模块，用于根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
后验值计算模块，用于根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
优选地，所述加权计算模块包括：第一均值模块、第一协方差模块和重采样模块，第一协方差模块分别与预处理模块、第一均值模块以及重采样模块连接，重采样模块与所述非线性处理模块连接。
优选地，所述协方差计算模块包括：第二均值模块、第二协方差模块和第三协方差模块，第二均值模块、第二协方差模块和第三协方差模块均与非线性处理模块连接，第二均值模块分别与第二协方差模块和第三协方差模块连接，第二协方差模块和第三协方差模块均与后验值计算模块连接。
本发明的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法采用浮点计算的方式提高精度，结合FPGA的时序管理避免出现大量资源被占用的情况，同时解决了复杂矩阵运算的问题。
附图说明
图1是整个FPGA信号数据处理的原理图；
图2是本发明的去噪方法的流程图；
图3是本发明实施例1的去噪方法的原理图；
图4是实施例2的去噪装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为整个FPGA信号处理原理图，其中，解调滤波反馈在信号处理中起到了承上启下的作用，将去除随机噪声之后的值反馈回DAC中进行相位调整，为了去除整体系统的噪声而不仅仅只是对光路的各个部分的噪声进行抑制，本发明对图1中解调滤波反馈之处进行了改进，提供了一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，与现有技术相比，其不同之处在于，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S1：采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
步骤S2：对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
步骤S3：对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
步骤S4：根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
步骤S5：根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
具体地，上述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法采用浮点计算的方式提高精度，结合FPGA的时序管理避免出现大量资源被占用的情况，同时解决了复杂矩阵运算的问题。
相应地，本发明还提供了一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，包括：
预处理模块，用于采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
加权计算模块，用于对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
非线性处理模块，用于对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
协方差计算模块，用于根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
后验值计算模块，用于根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
实施例1：
本实施例提供了一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，本实施例采用XILINX的spartan6系列FPGA，利用其中丰富的DSP、RAM资源以及浮点计算IP核来完成算法中所涉及到的复杂的矩阵运算。如图3所示，系统工作时首先应初始化1中的状态变量数据xi，其中，这里x1、x2、x3分别表示交流电流信号的幅值、频率和相位。由均值模块2求出各状态变量的平均值xi，由协方差模块3算出协方差阵Pxx后再经重采样模块4根据如下公式所得：
χi＝xi，i＝4；
其中，n＝7，λ＝α2n-n，0.0001≤α≤1，权值为
再由先验值计算模块6利用算的先验点集7{yi}。再由ADC干涉解调出的uin，状态变量数据的均值xi，先验点集7{yi}及对应的均值y四组数据再经过协方差模块9、10分别算得自协方差阵Pyy和互协方差阵Pxy。最后经11后验值计算模块求的增益后便可以估算出新的状态变量数据xi(k)＝xi(k)+Kk[uin(k)-y(k)]，再次将xi(k)回代入中便可以的到输出量uout。整个过程充分利用了FPGA并行性的特点。
实施例2：
本实施例提供了一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，实现实施例1的去噪方法，如图4所示，该去噪装置包括：预处理模块101、加权计算模块102、非线性处理模块103、协方差计算模块104和后验值计算模块105，其中，
预处理模块101，用于采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
加权计算模块102，用于对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
非线性处理模块103，用于对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
协方差计算模块104，用于根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
后验值计算模块105，用于根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
其中，加权计算模块102进一步包括：第一均值模块1021、第一协方差模块1022和重采样模块1023，第一协方差模块1022分别与预处理模块101、第一均值模块1021以及重采样模块1023连接。
其中，协方差计算模块104进一步包括：第二均值模块1041、第二协方差模块1042和第三协方差模块1043，非线性处理模块103分别与以上三者均连接，第二协方差模块1042和第三协方差模块1043均与后验值计算模块105连接，第二协方差模块1042根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，第三协方差模块1043根据ADC干涉解调出的uin、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy。
后验模块105求的增益后便可以估算出新的状态变量数据xi(k)＝xi(k)+Kk[uin(k)-y(k)]，再次将xi(k)回代入中便可以的到输出量uout。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
步骤S2：对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
步骤S3：对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
步骤S4：根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
步骤S5：根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，其特征在于，所述步骤S1之后、步骤S2之前还包括对状态变量数据xi进行初始化的步骤：
其中，x1、x2、x3分别表示交流电流信号的幅值、频率和相位。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：计算状态变量数据xi的均值xi；
步骤S22：计算状态变量数据xi和其均值xi的协方差矩阵Pxx；
步骤S23：按照下式所示进行重采样以获得加权数据集{χi}，
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χi＝xi，i＝4；
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<mo>,</mo>
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<mo>=</mo>
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<mo>,</mo>
<mn>6</mn>
<mo>,</mo>
<mn>7</mn>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，n＝7，λ＝α2n-n，0.0001≤α≤1，权值为
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，其特征在于，所述步骤S3中非线性数据处理为
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪方法，其特征在于，所述步骤S5中：xi(k)＝xi(k)+Kk[uin(k)-y(k)]，其中，uin为预处理所得状态变量数据xi；将所得xi(k)代入得到uout。
6.一种基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，其特征在于，该装置包括：
预处理模块，用于采集电流互感器的状态信号并对该状态信号进行预处理以获得状态变量数据xi；
加权计算模块，用于对所得状态变量数据xi进行加权计算以获得加权数据集{χi}；
非线性处理模块，用于对所得加权数据集{χi}进行非线性数据处理获得数据集{yi}；
协方差计算模块，用于根据数据集{yi}、数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pyy，根据状态变量数据xi、状态变量数据xi的均值、数据集{yi}和数据集{yi}的均值计算协方差矩阵Pxy；
后验值计算模块，用于根据协方差矩阵Pxy和协方差矩阵Pyy进行后验值计算并将该后验值输出。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，其特征在于，所述加权计算模块包括：第一均值模块、第一协方差模块和重采样模块，第一协方差模块分别与预处理模块、第一均值模块以及重采样模块连接，重采样模块与所述非线性处理模块连接。
8.根据权利要求6所述的基于FPGA的全光纤电流互感器去噪装置，其特征在于，所述协方差计算模块包括：第二均值模块、第二协方差模块和第三协方差模块，第二均值模块、第二协方差模块和第三协方差模块均与非线性处理模块连接，第二均值模块分别与第二协方差模块和第三协方差模块连接，第二协方差模块和第三协方差模块均与后验值计算模块连接。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |